（光学工程专业论文）高精度激光干涉地表声振动测量技术研究.pdf

哈尔滨i ：程大学硕+ 学位论文 摘要 海啸、地震等重大自然灾害，对人类的生存产生巨大的威胁。本文试图 构建一种基于激光干涉测量地表声振动的方法，开展基于m i c h e l s o n 干涉原 理的激光干涉仪的研究，设计总长度达到9 4 m 的干涉仪；采用稳频激光光源 和平衡干涉臂布设方式，通过p g c 信号解调技术，实现对地表次声振动信号 的测量。其目标是感知与预报地震、海啸等重大地质灾害。本文主要开展的 工作如下： ( 1 ) 研究了基于激光干涉声振动测量原理，设计一套实用化的m i c h e l s o n 干涉仪的光路结构，将稳频激光器、分光元件、光学调制元件、光束偏转元 件等干涉仪的元件有机地集成在一起，构成一套实用的高精度激光干涉测量 系统，并给出最优化的光学调节方法； ( 2 ) 研究了干涉系统的各种噪声来源，根据干涉系统噪声计算结果，设 计平衡臂的干涉仪结构，以降低相位噪声和频率噪声对干涉系统测量精度的 影响； ( 3 ) 提出一种折叠臂式光学增敏方法，通过光信号多次反射增加干涉仪 光程，提高干涉系统的测量灵敏度； ( 4 ) 提出一种干涉仪在线标定方法，通过在光学调制器( p z t ) 的中频 载波的基础上，增加已知幅度的低频驱动信号，实现干涉仪的在线自标定； ( 5 ) 研究了温度变化、气压变化、大气湍流对干涉系统的影响。采用环 境隔离的方法减少外部环境对干涉系统的影响；开展地表声振动传输实验的 研究，在实验室环境内，研究了干涉仪对模拟声振动的测量实验；在外场条 件下，测量地表声波真实传输的情况，以及环境噪声，恶劣气候环境对于涉 仪测量的影响。 外场试验结果验证了激光地声信息提取的可行性，总长度为9 4 m 的长臂 激光干涉仪，在0 - 5 0 0 h z 频率范围内，振动幅值测量分辨率达到0 1 n m ，等 效应变阶1 0 d 2 。说明平衡臂差动m i c h e l s o n 干涉仪，适用于高精度振动信号 测量，它具有测频率范围宽、幅值分辨率高、动态范围大等方面的优势。 哈尔滨丁干旱大学硕十学侍论文 关键词：激光干涉仪；地表声振动；纳米测量；在线标定；环境因素影响 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 a b s t r a c t t s u n a m i s ，e a r t h q u a k e sa n do t h e rm a j o rn a t u r a ld i s a s t e r sh a v eat r e m e n d o u s t h r e a tt ot h es u r v i v a la n dp r o d u c t i o no fh u m a nb e i n g s i nt h ep a p e r , am e t h o df o r m e a s u r i n ge a r t hs u r f a c ev i b r a t i o nb a s e do na l a s e ri n t e r f e r o m e t e rw a sp r o p o s e d m i c h e l s o ni n t e r f e r e n c ep r i n c i p l e - b a s e dl a s e ri n t e r f e r o m e t e rw a ss t u d i e da n da n i n t e r f e r o m e t e rw i t ht o t a ll e n g t ho f9 4m e t e r sw a sd e s i g n e d b a s e do nf r e q u e n c y s t a b i l i z e dl a s e ra n db a l a n c e di n t e r f e r o m e t r i ca r m s d i s t r i b u t i o n ，u t i l i z i n gp g c s i g n a ld e m o d u l a t i o nt e c h n i q u e ，i n f r a s o u n dv i b r a t i o ns i g n a l o nt h ee a r t hs u r f a c e w a sm e a s u r e df o rp e r c e i v i n ga n dp r e d i c t i n go fm a j o rg e o l o g i c a ld i s a s t e r ss u c ha s t s u n a m i t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e rw a sc a r r i e do u ta sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do np r i n c i p l eo fs o u n dv i b r a t i o nm e a s u r e m e n t w i t hl a s e ri n t e r f e r o m e t e r ， ap r a c t i c a lm i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e rw a sd e s i g n e d ，w h i c hi n c l u dd e s i g n i n g o p t i c a ls t r u c t u r eo ft h ei n t e r f e r o m e t e r ，a n di n t e g r a t i n ga l lo p t i c a lc o m p o n e n t s a n dl i g h ts o u r c et o g e t h e rt oc o n s t i t u t eap r a c t i c a lo p t i c a li n t e r f e r o m e t r i c s y s t e m m o r e o v e r ，t h eo p t i m i z e do p t i c a la d j u s t m e n t m e t h o dw a sa l s o p r e s e n t e d ( 2 ) n o i s es o u r c e so fv a r i o u sn o i s es y s t e m s a r es t u d i e d a c c o r d i n gt oa n a l y s i s r e s u l t s ，w ed e s i g n e dai n t e r f e r o m e t e rs t r u c t u r ew i t hb a l a n c ea r m si no r d e rt o r e d u c ei n f l u e n c eo fp h a s ea n df r e q u e n c yn o i s e so nm e a s u r e m e n ta c c u r a c y ( 3 ) af o l d i n gp a t hm e t h o dw a sp r o p o s e d b yi n c r e a s i n go p t i c a lp a t ht h r o u g h m u l t i p l er e f l e c t i o n s ，t h em e a s u r e m e n ts e n s i t i v i t yo ft h ei n t e r f e r o m e t e rc a nb e e n h a n c e d ( 4 ) a no n l i n ec a l i b r a t i o nt e c h n i q u ew a sp r o p o s e d b a s e do nt h e i n t e r m e d i a t e f r e q u e n c yc a r r i e ro fp z t ，b yi n c r e a s i n gt h ei n t e n s i t yo f ag i v e nl o w f r e q u e n c y d r i v i n gs i g n a l ，t h eo n l i n es e l f - c a l i b r a t i o no fi n t e r f e r o m e t e rw a sa c h i e v e d ( 5 ) i n f l u e n c eo nt h ei n t e r f e r o m e t e rs y s t e m sc a u s e db yt e m p e r a t u r e ，p r e s s u r ea n d a t m o s p h e r i ct u r b u l e n c ef l o ww a si n v e s t i g a t e da n dt h ee x t e r n a le n v i r o n m e n t 哈尔滨丁稃大学硕十学何论文 i l l w a si s o l a t e dt or e d u c ei t s i m p a c to ni n t e r f e r e n c es y s t e m m o r e o v e r ，t h e t r a n s m i s s i o no fv i b r a t i o no nt h ee a r t hs u r f a c ew a ss t u d i e d i nt h el a b ，t h e m e a s u r e m e n to f s i m u l a t e ds u r f a c ev i b r a t i o nw i t h i n t e r f e r o m e t e rw a s i n v e s t i g a t e d b e s i d e s ，t h ev i b r a t i o nt r a n s m i s s i o no nt h e e a r t hs u r f a c ew a s m e a s u r e di no u t f i e l d i na d d i t i o n ，t h ei n f l u e n c eo fe n v i r o n m e n t a ln o i s ea n d p o o rc l i m a t eo n t h ea c c u r a c yo fi n t e r f e r o m e t e rs y s t e mw a sa l s os t u d i e d t h ef e a s i b i l i t yo fs u r f a c ev i b r a t i o ni n f o r m a t i o ne x t r a c t i o nh a sb e e nv e r i f i e d b yo u t f i e l dt e s t s i nt h ef r e q u e n c yr a n g eo f0 5 0 0 h z ，t h ea m p l i t u d er e s o l u t i o no f t h el a s e ri n t e r f e r o m e t e rw i t h9 4 一m e t e r - l o n ga r mc a nr e a c h0 1a n l ，t h ee q u i v a l e n t s t r a i nb a h do fw h i c hi s1 0 1 2 i ti n d i c a t e st h a tt h eb a l a n c ea r md i f f e r e n t i a l m i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e ri s a p p r o p r i a t e f o r h i g h p r e c i s i o n m e a s u r e m e n to f v i b r a t i o ns i g n a l s t h i st e c h n i q u eh a ss e v e r a la d v a n t a g e ss u c ha sw i d ef r e q u e n c y r a n g e ，h i g ha m p l i t u d er e s o l u t i o na n dl a r g ed y n a m i cr a n g e k e yw o r d ：l a s e ri n t e r f e r o m e t e r ；e a r t hs u r f a c ev i b r a t i o n ；n a n o m e t r o l o g y ； o n l i n ec a l i b r a t i o n ；i m p a c to fe n v i r o n m e n t a lf a c t o r s 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：￥多水 + 日期：刎7 年6 月甲日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) 日期：z o o ：冕泳：无芥 年6 月7 日 新( 签专：辑 砷年6 具飞日i 哈尔滨! i i 稃大学硕+ 学仲论文 第1 章绪论 1 1 地表声振动信号测量的目的意义 地表声振动信号的诱因有多种，如自然界的地震、海啸、地壳板块活动 等，此外人类的活动也会产生大量地表声振动信号。在这些声振动信号的诱 因中，海啸因为其强大的破坏性，而备受研究人员的关注。人们一直希望能 有一种有效的方法来预测海啸的发生，而降低其对人类社会的威胁。 海啸( 英文t s u n a m i ，源自日本) 是水下地震、火山爆发、水下塌陷和滑 坡等海底变形时激起的巨浪，在其涌向海湾和海港时所形成的破坏性大浪l l 】。 海啸有大小，一般性海啸不一定具有大的破坏性，只有在水下出现大地震( 震 级大于里氏6 5 级) ，震中属浅源( 位于地下7 0 千米以内) ，海底出现垂直断 层等大变形( 抬升和塌陷) 条件下，才能发生破坏性海啸。 海啸属波浪范畴，在大洋中，其波长可达数十或数百千米，波高仅1 米以 上，周期在2 - - - 2 0 0 分钟之间。海啸传播速度基本稳定，一般为2 0 0 - - 一1 0 0 0 k m h 以上。海啸进入大陆架和海湾后，由于受地形影响( 水深变浅，海底复杂多 变等) ，波高剧增，可达2 0 - - 一3 0 米，甚至更高。海啸登陆的形成，可以是一 个或多个巨浪，间隔时间可能是几分钟或几小时。也可以是以快速涨潮伴随 着水下漩涡登陆。海啸能量巨大，巨浪带着漩涡排山倒海而来，可以把人卷 入水下，并卷起重物，甚至吞没整个海滩。海啸携带的海底沉积物，船只、 树木等，可以一直冲到海岸线以上上千米甚至更远的地方。 1 9 4 6 年4 月阿拉斯加海岸外的阿鲁提安岛附近地震引发的海啸以时速4 0 0 英里向南奔袭2 0 0 0 英里外的西鲁湾，浪高达4 6 英尺，先是吞没3 0 多英尺高的 棕榈树，接着扫荡沿岸建筑和生命( 近2 0 0 人死亡) 。1 9 6 0 年智利沿海发生地 震，形成的海啸向西横扫夏威夷，浪高达3 5 英尺( 造成6 1 人死亡) 。日本的 海啸多源自近海的地震，东侧日本海沟一带是地震海啸频发地区。1 8 9 6 年的 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 海啸( 浪高9 0 英尺) 造成2 万多人死亡。1 9 6 0 年海啸( 由智利海沟地震激发) 导致1 1 2 人丧生。1 9 9 3 年海啸造成的惨景则类似原子弹爆炸。2 0 0 4 年1 2 月2 6 日发生在印度洋海底的大地震所引发的海啸，在没有任何预警的情况下，袭 击了印度洋沿岸十余个国家，造成了数十万人员的伤亡和巨大财产损失，这 次海啸所造成的损失及遭受的破坏程度在世界海啸灾难史上是空前的。 从发生海底地震到形成海啸再至袭击岸边，都需要经过一段时间，如果 能够检测到海底地震和海啸推进时的振动信息，发出预警信号，就可以避免 或减少海啸灾害。目前，人们通常用移动传感器( 即深水海啸探测浮筒) 监 测海啸。浮标下的压力传感器在深海6 0 0 0 多米处，可探测到海面1 厘米的异常 变化，数据通过卫星通信传输到中心f 2 3 l 。但由这些传感器建立的检测网络存 在着许多不足之处，它们之间相距太远且维护费用昂贵。由于海啸通常是由 地震引起，所以也有通过陆地上的地震仪监测海底地震来进行海啸预警。目 前都是通过在各地的地震仪联合数据分析来确定海底震源位置，达到海啸预 警的目的1 4 1 。此外由于地震海啸会产生次声波，而且次声波传输距离比较远， 通过次声波监测预测地震海啸也被提出来1 5 叫。 本文拟进行的工作是在提出一种高精度地表声振动测量方法，预计灵敏 度比一般地震仪高，而且通过地表的次声声波振动传播比空气中的衰减更小， 获得的原始信号更强，有利于监测精度的提高。激光干涉测量振动法是以激 光干涉原理为基础进行测量的一种光学测量方法，与一般的光学测量方法相 比，激光干涉测量振动法具有更高的测试灵敏度和准确度。根据实际的应用 情况选择适合的调制解调方法还可以提高激光干涉测量振动的测试分辨率和 稳定性。 1 2 国内外研究现状 采用激光干涉测量法来测量地表震动，以此预测海啸，其中关键技术就 在于激光干涉仪的构建。激光干涉仪的性能直接影响地表声振动的测量精度。 2 哈尔滨t 稃大学硕+ 学位论文 目前各国都开展了大尺度激光干涉仪的研究工作，虽然他们的测量目的不尽 相同，但是其在激光干涉仪的构建方面的工作值得我们借鉴。 目前国际上使用长光程激光干涉仪测量地球应变，以此研究地球内部震 动。利用激光技术实现对地球局部和长基线应变的测量的仪器，称为激光应 变计( l a s e rs t r a i n m e t e r ) 。它与其它地球物理探测仪器相比，其优点是具有 极高的灵敏度( 应变阶l o d 3 - 1 0 。4 ，或者更高) ；可以在o 到几百赫兹的很宽 的带宽范围内进行工作，可用于观测频率在1 到3 0 周期d , 时的地球常规应 变监测，例如潮汐或长期形变等；可以构造长基线( 几百米) 的应变测量系 统，用来抵消各观测地点的不均性；在高温或高压环境下保持对某些频率的 高灵敏度。 国际上，开展激光应变技术的研究已经有近4 0 年的历史，主要集中在美 国、日本、俄罗斯、意大利、英国等发达国家和基础研究强国中。利用激光 应变仪实现对地球应变的监测的数据累计时间超过了1 0 年。 美国是激光应变仪研究发展最快、并一直保持领先的国家。1 9 7 0 年， s c i e n c e 上发表了b e r g e r 和l o v b e r g l 7 】完成的首个8 0 0 米长的m i c h e l s o n 激光 应变仪对由地震或原子爆炸引起的地面应变的研究结果。其后的研究工作发 展迅速，应用范围和政府推进力度也日趋壮大。b e r g e r 和l o v b e r g 的测量精 度为1 0 - 1 0 ，在0 到1 兆赫区间有平坦且良好线性度的应变反应。这个宽大的 带宽开拓了应变光谱学的新空间，且有助于地球应力场分布图的绘制。从 1 9 7 1 年开始，d u n c a nc a r ra g n e w 等人位于由t r a n s v e r s er a n g e s 的南侧延伸 到b a j ac a l i f o r n i a 北侧的平移断层区域中建立了p f o 观测站，该系统包括三 个应变计和两个倾角测量仪1 8 】。对于1 9 9 2 年的l a n d e r s 地震，以及1 9 9 9 年的 h e c t o r 地震，p f o 三套l s m 仪器的位移与基于区域波震图的源模型预测非 常的吻合。m a r k t 9 】结合光纤技术实现海底结构应变测量。他将光纤铺设在海 底两个研究点之间，两点位置的改变将导致光纤长度发生改变。这个改变量 由常规e d m ( 电子位移计) 测量。 以上几个案例只是激光应变技术的起步研究阶段，美国对激光应变仪的 3 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 真正大规模应用始于1 9 8 3 年。此后近2 0 年间，在南加州建立了多个激光应 变仪用以监测地球应变。特别是2 0 0 4 年以后，美国开始大力推行的e a r t h s c o p e ( 地球透镜计划) 计划中，构建了以5 个激光应变仪为代表的p b o 大陆地质 观测系统，它能够为地壳运动的研究提供更为丰富可信的科学信息。p b o 的 建设成功标志着激光应变仪技术在美国已经步入了实用化【她1 1 】。 根据美国研究的结果，综合比较激光应变仪、g p s 测量系统、以及钻孔 应变计，其各自的特点是：( 1 ) g p s 系统工作范围以天为时间单位计量毫米 量级的应变；( 2 ) 钻孔应变仪通过埋入岩石传感形状的改变监测地球应变， 在地震和火山预警中发挥重大作用；( 3 ) 长基线激光应变仪( l s m ) 主要测 量地球表面距离几百米远两点之间的位置，它综合了g p s 具备长期稳定性和 钻孔应变仪测量精度高的优点，同时l s m 的特色还在于它的运行不依赖于 g p s 系统。可见由于激光应变仪所具有的独特的优点，它已成为完整的地质 观测网中不可或缺的一环。 日本是地质灾害的多发国家，因此对激光应变仪的研究非常重视，其研 究仅次于美国，累计时间研究时间近3 0 年。早在1 9 8 1 年，t a d a n a o 就报到 了一种真空无管道型激光应力仪用于对固体潮汐应变的测量。1 9 8 9 年 - 一1 9 9 7 年的九年中，s h u z ot a k e m o t o 等人在日本神户地区六甲一高雄台用一台激光 应变仪进行地壳应变连续观测，其应变长累线性趋势估算为0 7 x 1 0 6 a ( 在短 缩中) 。激光应变仪安装在离地面2 4 0 m 的一条连通穿过六甲山区的两个主要 汽车隧道的支隧道内，台站距海约6 k m 。测量结果是，观测潮汐应变与用 g u t e n b e m b u f l e n a 模型或有屏蔽的地幔模型计算的理论期望值完全一致。测 量结果特别有意义的是，能够在像神户这洋一个人口稠密的地区用激光应变 仪连续精确地监测应变积累f 1 2 】。2 0 0 3 年，s h u z ot a k e m o t o 等人报道了在日本 岐阜神岗的一个矿井隧道内安装有两个垂直的每一个长度达1 0 0 m 的激光应 变仪的测量结果。观测点位于北纬3 6 4 2 度，东经1 3 7 3 0 度，海平面以上3 7 0 m 。 激光应力仪位于地面下1 0 0 0 m 。隧道构造为变形岩，观测点的p 波和s 波速 度分别为5 4 5 k m s 和3 1 0 k m s 。他们采用5 3 2 n m 倍频激光器作为光源，光路 4 哈尔滨+ i ：稃大学硕十学位论文 被封在直径1 9 0 m m 、厚3 r a m 的不锈钢管内，钢管经典化学抛光，内部气压 保持在1 0 5 p a 。整个系统分辨率1 0 d 3 ，预先分析结果该激光应变仪显示对于 地震波和潮汐波的数据质量很高【1 3 】。 俄罗斯也是大量开展激光应变仪研究的国家。俄罗斯科学院无线电工程 与电子研究所建造了用于地球应变测量的干涉仪天线阵列【1 4 】。干涉仪固定在 地表或地下隧道的基岩上。使用干涉仪阵列测量两点水平或垂直相对位移， 测量精度达至u 1 0 - 2 1 0 - 3 i l n l 。干涉仪阵列之间相对位置从5 m 至u 5 0 0 m 不等，干涉 仪测得的地表震动、声信号及长时间应变的频率范围为1 0 4 h z 一2 k h z 。 图1 1 地声一水文综合物理观测系统 1 、水底站2 、5 2 5 m 激光水平形变仪3 、1 7 5 m 激光水平形变仪 4 、3 5 m 激光垂直形变仪5 、激光毫微气压计6 、空气的温度计 7 、土壤的温度计8 、风向风速计9 、地声辐射1 0 、激光变压水听器 2 0 0 6 年，vm i l y u k o v 等人报道了利用他们建立的7 5 米臂长的激光应变 仪监测了超过1 0 年的地壳应变1 1 5 l 。应变仪被放置在俄罗斯地质活动频繁的 北高加索山脉的b a k s a n 山谷中，用于记录在宽频段地圈层内的形变，其分辨 率为3 x 1 0 d 3 。 自2 0 世纪9 0 年代起，俄罗斯远东科学院海洋研究所的) i o a r a x 院士也在独 立从事激光应变仪的研究工作。他们建立了包括5 2 5 米水平激光应变仪、3 5 5 哈尔滨t 挥大学硕十学位论文 米垂直激光应变仪仪、1 7 5 米水平激光形变仪、激光毫微气压计、激光水压 测量系统、激光水听器、共振频率为3 5h z 的水声辐射源、宽频带的水声辐射 4 0 6 0 0 h z 、2 个低频的地声辐射源和水听器的接收系统，测量温度、压强、 湿度、速度和风向测量在内的地声一水文综合物理观测系统，如图1 1 所示 1 1 6 - 2 0 1 。利用此系统研究水中引起的低频水声辐射，以及地震、水声振动和水 层一岩石层范围内波动时的规律等。在日本海的沿岸进行了1 0 多年的综合实 验，所有实验基本的结论为：在测量地震规律性的情况下使用沿岸放置的激 光形变仪，测量水声振动和水层一岩石层的动态波动和变压是极具可行性。 意大利开展激光应变仪的研究工作也有近二十年的历史。1 9 9 0 年意大利 l c r e s c e n t i n l 与t 2 r e n z e l l a 发表的论文给出一种新的激光应变仪设计，其臂 长为1 0 0 m ，该干涉仪可实现高灵敏度宽频带测量，同时兼顾了结构简单和造 价低廉的特点。这个干涉仪在两臂相位差为4 5 0 时，使用电光调制器与非线 性电反馈锁定到一个固定结构，带宽达到1 m h z ，线性好，谐振小【2 。 h i q h w o y | u n n e l s 图1 2c , r a ns a s s o 干涉仪地理位置图 l u c ac r e s c e n t i n i a 与a n t o n e l l ag m o r u s o 等人在穿过意大利中部g r a ns a s s o 6 哈尔滨一l ：程大学硕十学侮论文 山区断层的地下安装了低噪声高灵敏度激光应变仪。光路采用管道密封，管 道内的气压保持在1 0 2 p a 左右，测量环境气温控制2 9 1 o 1 k 。该系统的安放 位置呈三角形，两正交边的边长均为9 0 m ，其方位角分别为北偏西2 4 。，北偏 东6 6 0 ，如图1 2 所示。干涉仪主体在b 点，测量臂为b c ，在1 9 9 5 年1 0 月之前 干涉仪的工作状态是不等臂干涉，其参考臂臂长为5 0 c m 。受本地噪声影响， 其灵敏度为a p e ，耳1 3 x 1 0 j 2 应变阶。从1 9 9 4 年5 月开始不连续的工作，1 9 9 4 年6 f f j2r ，记录的伸长偏移量与当地发生的两场地震相利2 2 剀。该干涉仪在低频 段有良好的性能，灵敏度高，数据分析显示其对地表应变的测量很准确。 罗马尼亚、捷克、意大利与希腊在罗马尼亚境内的喀尔巴阡山脉弧线的 弯曲地带i2 4 1 ，设置了一个激光应变仪用于监测地震活动，该地区的地震活动 包括浅源及中等深度的地震。安装在此地区的激光应变仪将用于地震活动性 检测，最终做到预测地震l z 5 l 。 1 9 7 9 年清华大学曾经研制出2 4 米臂长激光干涉地壳应变仪，但是其后 的研究由于受到经费和实验条件的限制，处于了停滞状态；1 9 9 2 年华中科技 大学讨论了利用激光干涉调制法测量地壳应变的原理和方法【2 6 l ；1 9 9 9 年厦门 大学也曾提出建立臂长为2 5 米的双频激光干涉测量仪的建测z 刀，但基本上 只停留在论证和实验装置的搭建阶段，未有测量结果的报道。与国外美、日、 俄罗斯等国长达1 0 多年的地质结构监测的数据积累相比，国内的研究存在着 较大的差距。 激光干涉仪的优点是测量范围广、测量精度高，但同时对测量环境条件 要求较高，其稳定性、分辨率和测量精度容易受到环境温度、湿度、气压、 振动以及仪器结构设计等因素的影响。提高激光干涉测量系统的精度要从以 下两方面入手：( 1 ) 合理设计机械结构及光学元件布局，尽量使影响测量精 度的各种因素由干涉仪自身予以消除；( 2 ) 在干涉信号中还存在非正交误差、 不等幅误差及直流电平漂移误差，严重影响着细分精度，需要对其进行补偿修 正，以保证整套系统的测量精度【矧。 通过光学元件布局可以提高干涉仪整体的测量精度，元件布局提高精度 7 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 的方法是增加干涉仪的臂长，使测量反射镜与干涉仪主体间隔尽量，光程增 加，从而提高灵敏度。但这种方法对空间需求较大，资金投入很大，如美国 u g o 测量引力波的干涉仪，一共由三组干涉仪构成，两组放置于华盛顿州的 汉弗分别是2 k m 和4 k m 长，还有一套4k m 长的干涉仪放置于路易斯安娜州的 列文斯顿。这三组干涉仪灵敏度极高，它是目前全世界最大的、灵敏度最高 的引力波探测站1 2 9 】。 提高灵敏度还有一种方法类似于f a b r y p e r o t 干涉仪，采用一种功率循环 腔，使用经严格论证设计的特定反射率的反射镜构建一个腔，腔长稳定时， 光束在腔内多次循环反射，振动使腔长变化时会使出射光束从腔内出射，从 而提高了微小振动引起的光强度变化，提高干涉仪的灵敏度【3 0 ，3 1 1 。 1 3 本文的研究方法和拟开展的工作 激光干涉振动测量方法是通过构造光路结构使两束光产生干涉，根据干 涉条纹变化时，干涉强度变化来分析测量振动。本文将开展基于m i c h e l s o n 干涉原理的实用化激光干涉仪的研究，目的是用于地表振动测量。干涉仪设 计总长度达到9 4 m ，采用稳频激光光源和平衡干涉臂布设方式，通过p g c 信 号解调技术，实现对振动信号的测量。本文的主要工作包括以下几方面。 1 、深入分析地表声振动的测量原理。提出一种激光地表声振动测量方法， 研究激光干涉声致滤波原理。 2 、基于激光干涉声振动测量原理，设计一套实用化的m i c h e l s o n 干涉仪，预 计工作如下： ( 1 ) 设计干涉仪光路结构和光学调节方法。根据实验要求设计一套基 于m i c h e l s o n 干涉原理的干涉仪，将干涉仪的光学元件及光源等均 集成安装在一起，构成一套实用的光学干涉测量系统。并对干涉 仪的安装、调节方法进行分析，给出最优化的调节方法； ( 2 ) 研究干涉系统的各种噪声来源，分析光学干涉系统的散粒噪声、 8 哈尔滨i ：程大学硕十学位论文 相位噪声和频率噪声，并且给出干涉仪受到的各种噪声影响； ( 3 ) 根据干涉系统噪声分析的结果，设计平衡臂的干涉仪结构，以降 低相位噪声与频率噪声对干涉系统测量精度的影响； ( 4 ) 提出一种折叠臂式光学增敏方法，在不增加实验场地空间的情况 下，通过多个反射镜之间特定的角度关系，来达到增加光程的目 的，从而提高干涉系统的测量灵敏度； ( 5 ) 提出一种p z t 的在线标定技术。在光学调制器( p z t ) 的中频载 波的基础上，通过增加已知幅度的低频驱动信号，实现干涉仪的 在线标定。文中，将测试p z t 的调制量参数，分析p z t 的最佳调 制状态，及其在调制信号作用下对干涉测量仪信号解调的影响。 3 、对地表声振动的若干实用化问题进行分析和研究，包括：分析干涉系统 受温度变化、气压变化、大气湍流的影响，以及如何使环境变化对干涉 系统的影响降到最低。根据实地环境，构造适用于本文设计结构的 m i c h e l s o n 干涉仪的实验装置，干涉仪测量臂远端反射镜安装镜台的分析 设计，光路隔离管道的设计安装。 4 、将开展地表声振动传输实验的研究。在实验室环境内，研究干涉仪对模 拟声振动的测量实验；在外场条件下，测量地表声波真实传输的情况， 以及环境噪声，恶劣气候环境对干涉仪测量的影响。 9 哈尔滨t 程人学硕十学何论文 第2 章地表声振动测量原理 地表声振动传播特性是激光干涉声振动测量的基础理论。本章将主要研 究地表声振动信号的分类及传播规律；高精度激光干涉仪原理及光路结构设 计：同时还将研究激光干涉声致滤波的原理，以及激光干涉仪如何被用于测 量地表声振动。 2 1 地表声振动信号的分类与传播规律 地震时产生的地震波中主要包括纵波( p 波) 、横波( s 波) 、以及由其 在边界和界面产生的瑞利波等几种波，其中压缩波和剪切波是在介质内部传 播的，故称为体波，而瑞利波主要在地表面附近传播，称为面波。本节将先 分析体波即横波和纵波的传播规律，然后介绍瑞利波的传播规律。 2 1 1 地表声振动信号体波传播规律 体波信号也是源于地震，地震波中体波向外传播的只是介质运动形式而 不是介质本身。介质质点本身【3 2 。3 】只是在其平衡位置作往复的振动。对于物 体这种运动状况，可用波动方程来描述。所谓波动方程，即声波在传播过程 中，介质质点在任何时刻离开其平衡位置的位移表达式。以理想无衰减的介 质中传播的平面波为例，其波动方程可表示为： y = a s i n 1 3 f 一妄) ( 2 1 ) 乙 式中：) ，离原点在工处的质点在时刻t 的位移； 彳振动的幅度； c 声波传播的速度； ( 1 ) 振源简谐振动的圆频率，它等于振动物体在2 冗秒内的振动次数。 1 0 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 即： = 珂 式中：厂- 振动频率。 若时间r 给定，则某质点的位移将单纯是z 的函数， 在给定时刻f ，不同质点的位移分布情况。 质点 振动 方向 质点： 振动： 方向： | ； ( 2 2 ) 这时波动方程表示 ：磐 波动传输方向 霎。萎萎萎。萎萎萎 ：+ ： 一：+ + 。：。 一。：。：一 。+ + ：。： ： ：+ - - 波动传输方向 横波 图2 1 质点振动与波的传输方向的关系 1 1 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 体波在介质中传播时，按照介质质点振动方向与波的传播方向之间的关 可分为纵波和横波。纵波：介质质点的振动方向与波的传播方向一致，这种 波称为纵波。横波：介质质点的振动方向与波的传播方向相垂直，这种被称 为横波。例如在绷紧的绳子上传播的波，就是横波。图2 1 表示两种波的传 播和质点振动情况。单纯的纵波和单纯的横波是最简单的两种波，但是，自 然界中的机械波还有许多复杂的形式，如表面波、弯曲波、扭转波等。从远 动学的角度看，根据迭加原理，任何复杂的波都是纵波和横波迭加的结果。 纵波的传播是依靠介质时疏时密( 即时而拉伸，时而压缩) ，使介质体积 发生变形引起压强的变化而传播的，因此和介质的容变弹性有关。它在固体、 液体、气体中都能传播。横波的传播是使介质产生剪切变形时引起的剪切应 力变化而传播的，因此和介质的切变弹性有关，由于气体、液体无一定形状， 当它的形状发生变化时，不产生切变应力，所以气体、液体不能传播横波， 在气体、液体中只有纵波存在。至于水面的水波，是一种特殊的表面波。另 外，若按波的波阵面的形状分，声波还可分为平面波、球面波和柱面波。 不同类型的波，在不同边界条件的固体中的传播速度各不相同。根据波 动方程可导出其传播速度的公式。对于在无限大介质中传播的纵波速度c 口 为： c p - 括插 亿3 ) 式中：e 弹性模量；伊泊松比；p 固体介质密度。 对于在无限大介质中传播的横波速度g 为： c ，= 挣括赤 4 ， 上式中：g 剪切弹性模量。 将纵波波速与横波波速相除，得到纵横波速之比： 一c p ；巨( 塑( 2 - 5 ) 一# f 一 c ， v 1 2 z r 1 2 哈尔滨r 程大学硕十学位论文 固体介质的泊松比介于0 - 0 5 之间，因此c p c ， 1 4 1 。当纵波、横波一 起传播时，我们首先接收到的是纵波，其后是纵波的余振波和横波的相互叠 加。 2 1 2 地表声振动信号瑞利波传播规律 地震引起的三种弹性波占总输入能量的百分比，压缩波占6 9 ，剪切波 占2 5 8 ，瑞利波占6 7 3 。由此可见，在相对于整个地壳而言的地表浅层 地基当中，地震时瑞利波的能量是占优的。瑞利波是常见的界面弹性波，是 沿半无限弹性介质自由表面传播的偏振波。 对瑞利波进行数学分析，可以从震源激发使介质发生弹性形变出现剪切 应力出发，从而建立一定形式的微分方程，再加上必要的边界条件即可决定 表述瑞利波的方程。但是，这种讨论方式是相当繁杂的，前苏联学者j r i m 布列霍夫斯基赫曾把瑞利波的情形看作是平面波的反射的简化情形来讨论 【3 q ，从而使冗长的计算大为简化。 在震源激发下，固体介质中质量为d m 的小单元的位移可表示为： s ( “，l ，w ) = v 妒+ v 妒 ( 2 - 6 ) 在直角坐标系中，若假设波存在于澎平面内，则式( 2 6 ) 可用标量表示为： “；塑一丝( 2 7 ) a xa z y 一0( 2 8 ) w ：塑- t 一丝 ( 2 一- 9 一)w = 一二l) a za x 式中妒和驴分别是纵波和横波的势。可以证明这两个势满足下面的波动方程： v 2 9 = 丽p 警 ( 2 - 1 0 ) l + z “d f 。 v 2 驴一i p 誓d ( 2 “ 。 1 3 哈尔滨t 程大亨：坝十字何论文 式e p p ) 白固体介质的质量密度，入和“称为拉梅常数，在各向同性的弹性 固体中，入和“与杨氏模量e 、泊松比。之问的关系为： a ； 堕一 ( 2 1 2 ) ( 1 + ( 1 2 0 ) = 夏而e ( 2 - 1 3 ) 拉梅常数又称为刚性常数，对许多固体而言，入和“差不多是相等的。 如我们对波动方程( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 限制在o = z = o o 之间，则可得其解为 驴e x p 【_ 犯+ 歹了2 zo 一毒) 】 ( 2 “) = b - e x p 【一髟+ ，了2 zo 一毒) 】 ( 2 - 1 5 ) 式中t 是波的周期，坛为瑞利波的波速，a 、b 、r l 、雒某些常数，其值可由 边界条件决定。 对在无限大均匀介质表面存在瑞利波的问题，我们可作如下简要的讨论， 经过适当的运算可求出一个用系数k ( k = k ) 表示的关系式【3 5 】： ，( k ) ；k 8 8 k 4 + ( 2 4 一1 6 ) k 2 “0 一 ( 2 - 1 6 ) 式中一是p 波( 纵波) 和s 波( 横波) 的波速比： 以一万v e = 1 了a + 2 比= 等 协 由式( 2 - 1 6 ) 知，当k = o 时，厂( k ) = ，( o ) = 一1 6 ( 1 一砉) o ，从而可确定在0 k i 区间内式( 2 - 1 6 ) 至少有一正根， 这就是说瑞利波总是存在的。 瑞利波的波速与介质的弹性常数有关，为同介质中横波波速的0 8 6 2 - 0 9 5 5 倍，重力对瑞利波的影响是很少的，当泊松比为1 3 时，横波速度 哈尔滨下程大学硕十学位论文 v s = 4 k m s ，假定瑞利波的波长为5 0 k i n ，那么瑞利波的波速受重力的影响使它 只增加0 2 左右，故在通常条件下，可略去重力对瑞利波波速陈的影响。 在地球表面所观测到的与纵波( p 波) 与横波( s 波) 同时传播的表面波 离开界面时按指数规律衰减，其能量集中在界面附近几个波长的厚度之中， 而且传播速度小于p 波和s 波的速度。 瑞利波沿地表传播时，其质点的轨迹，是随地下深度而发生变动，用v ， u 表示质点在横向和纵向的位移量，其变动情况可用下式表示： 忙十卧等z ，- 0 5 8 e x p c 一等z ，卜弘旁沼 加小 - 0 5 5 e x p c 一署z ，+ 1 4 7 e x p c 一等z ，卜争审协2 在表层附近，质点的运动轨迹为椭圆；在离表面为0 2 个波长的深度以下， 其运动轨迹仍为椭圆，但运动方向与表层相反。在自由表面上，质点沿表面 法向的位移约为